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Il nuovo strumento utilizza le onde gravitazionali per scrutare all’interno delle stelle di neutroni

Stelle di neutroni destinate al fallimento

Credito fotografico: Goddard Space Flight Center/NASA CI Lab

Immagina di prendere una stella con una massa doppia del Sole e di ridurla alle dimensioni di Manhattan. Il risultato sarebbe una stella di neutroni, uno degli oggetti più densi dell’universo. In effetti, superano la densità di tutti i materiali presenti in natura sulla Terra di un fattore di decine di trilioni. Sebbene le stelle di neutroni siano oggetti astrofisici notevoli di per sé, la loro densità estrema potrebbe anche consentire loro di fungere da laboratori per studiare questioni fondamentali nella fisica nucleare in condizioni che non potrebbero mai essere riprodotte sulla Terra.

Le stelle di neutroni sono così dense che un singolo cucchiaino avrebbe una massa di circa un trilione di chilogrammi.

A causa di queste condizioni esotiche, gli scienziati ancora non capiscono di cosa siano fatte esattamente le stelle di neutroni, la loro cosiddetta “equazione di stato” (EoS). Determinare questo è un obiettivo importante della moderna ricerca astrofisica. Un nuovo pezzo del puzzle che limita la gamma di possibilità è stato scoperto da due ricercatori dell’Institute for Advanced Study (IAS): Carolyn Raithel, John N. Bahcall Fellow presso la School of Natural Sciences; ed Elias Most, un membro della scuola e John A. Wheeler Fellow[{” attribute=””>Princeton University. Their paper was published recently in The Astrophysical Journal Letters.

Neutron Star Merger Gravity Waves Illustration

Neutron star merger and the gravity waves it produces. Credit: NASA/Goddard Space Flight Center

Ideally, astrophysicists would like to look inside these exotic objects, but they are too small and distant to be imaged with standard telescopes. Researchers instead rely on indirect properties that they can measure—such as the mass and radius of a

Le maledette stelle di neutroni vorticano verso la loro fine in questa animazione. Le onde gravitazionali (archi deboli) consumano energia orbitale, facendo avvicinare le stelle e fondersi. Quando le stelle entrano in collisione, alcuni dei detriti vengono espulsi in getti di particelle che viaggiano quasi alla velocità della luce, producendo una breve esplosione di raggi gamma (magenta). Oltre ai getti ultraveloci che alimentano i raggi gamma, la fusione crea anche detriti più lenti. Il deflusso guidato dall’accrescimento sul residuo di fusione emette luce ultravioletta (viola) a rapida dissolvenza. Una densa nuvola di detriti caldi liberata dalle stelle di neutroni appena prima della collisione produce luce visibile e infrarossa (da blu-bianca a rossa). Il bagliore nelle regioni UV, ottica e nel vicino infrarosso è indicato collettivamente come kilonova. Più tardi, quando i resti del jet puntato su di noi si erano estesi nella nostra linea di vista, sono stati rilevati i raggi X (blu). Questa animazione rappresenta i fenomeni osservati fino a nove giorni dopo GW170817. Riconoscimento:[{” attribute=””>NASA’s Goddard Space Flight Center/CI Lab

It was previously expected that f2 would be a reasonable proxy for radius, since—until now—researchers believed that a direct, or “quasi-universal,” correspondence existed between them. However, Raithel and Most have demonstrated that this is not always true. They have shown that determining the EoS is not like solving a simple hypotenuse problem. Instead, it is more akin to calculating the longest side of an irregular triangle, where one also needs a third piece of information: the angle between the two shorter sides. For Raithel and Most, this third piece of information is the “slope of the mass-radius relation,” which encodes information about the EoS at higher densities (and thus more extreme conditions) than the radius alone.

This new finding will allow researchers working with the next generation of gravitational wave observatories (the successors of the currently operating LIGO) to better utilize the data obtained following neutron star mergers. According to Raithel, this data could reveal the fundamental constituents of neutron star matter. “Some theoretical predictions suggest that within neutron star cores, phase transitions could be dissolving the neutrons into sub-atomic particles called quarks,” stated Raithel. “This would mean that the stars contain a sea of free quark matter in their interiors. Our work may help tomorrow’s researchers determine whether such phase transitions actually occur.”

Reference: “Characterizing the Breakdown of Quasi-universality in Postmerger Gravitational Waves from Binary Neutron Star Mergers” by Carolyn A. Raithel and Elias R. Most, 13 July 2022, The Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac7c75

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